Satellite

Le satellite Planck, d'une hauteur de 4,2 mètres et d'un diamètre maximum de 4,2 mètres, avait une masse au lancement d'environ 2 tonnes. Le satellite comprenait un module charge utile et un module de service.

La charge utile Planck comprenait :

• Un télescope grégorien de 1,75 x 1,5 m, équipé d'un miroir primaire et d'un miroir secondaire pour recueillir les radiations microonde et les diriger sur le plan focal des instruments, et d'un baffle de protection
• Les plans focaux cryogéniques des deux instruments HFI et LFI
• Les systèmes de refroidissement

Le module de service hébergeait :

• Les systèmes de génération et de conditionnement de l'énergie
• Le contrôle d'attitude
• La gestion des données et les communications
• Les parties chaudes des instruments scientifiques (HFI et LFI)

Instrument HFI

L'instrument HFI (High Frequency Instrument) représentait la contribution française à la charge utile scientifique de la mission Planck. Il était doté de bolomètres 83GHz - 857GHz fonctionnant à une température de 0,1 K, avait une résolution angulaire de 5' et une sensibilité en température de 5 µK à 100 GHz.

Il a été défini pour mesurer le fond diffus cosmologique dans la partie du spectre où il est le plus présent et où la contamination de la mesure par les sources de premier plan est minimale. Ses six bandes ont été optimisées pour identifier au mieux les sources haute fréquence afin d'éliminer leur contribution résiduelle. L'instrument était basé sur l'utilisation de bolomètres à très basse température (0,1 Kelvin), dont la sensibilité est limitée principalement par le bruit de photons du fond diffus lui-même et, aux courtes longueurs d'onde, par le bruit de photons du rayonnement thermique du télescope, bien que celui-ci ait une faible émissivité et soit refroidi à 50 K.

Il approchait donc la limite de sensibilité théorique pour ce type de mesures. Par ailleurs, le système de lecture des bolomètres, basé sur une polarisation modulée, présente un très bas niveau de bruit à basse fréquence. Cela a permis l'utilisation d'une stratégie de mesure basée sur la rotation du satellite à 1 tour par minute et sur le balayage de cercles sur le ciel dans une direction approximativement perpendiculaire à la direction du soleil, ce qui a permis de couvrir deux fois le ciel au cours (d'un peu plus) d'une année.

Les meilleurs détecteurs disponibles à l’époque de la conception du satellite Planck avaient un absorbant du type toile d'araignée (spider web) et un thermomètre en germanium dopé par transmutation (NTD). Ils ont été développés par Caltech/JPL. Les électroniques de lecture ont été développées en France (CESR) et ont constitué un apport essentiel au projet. Le refroidissement des bolomètres à 100mK, nécessaire à l'obtention des performances requises, était assuré grâce au réfrigérateur à dilution en boucle ouverte (invention CNRS/CRTBT couverte par un brevet CNES). Des réserves d'hélium 3 et d'hélium 4 comprimés dans des sphères donnaient au réfrigérateur une autonomie de 14 mois minimum.

De cette exigence de 0,1K au plan focal a découlé toute l'architecture instrumentale HFI. Ceci était obtenu par le pré-refroidissement passif de la charge utile et du télescope à moins de 60K (-213°C). Deux refroidisseurs actifs (compresseurs 20K à absorption + compresseurs mécaniques 4K) en cascade baissaient encore cette température jusqu'à 4K, température à partir de laquelle démarre le réfrigérateur à dilution jusqu'à 0,1K.

Le télescope, d'un diamètre utile de 1,5m, était de type grégorien hors axe sans obstruction, de façon à minimiser la lumière parasite produite par diffraction. Le couplage des détecteurs avec le télescope était assuré par des cornets corrugués, qui définissaient des faisceaux gaussiens, et permettaient un strict contrôle de la lumière parasite. Des filtres interférentiels permettaient de contrôler le domaine spectral atteignant les bolomètres. Leur répartition sur les étages cryogéniques à 0,1K, 1,6K, et 4K permettaient de limiter les charges thermiques sur les étages cryogéniques les plus sensibles.

L'instrument HFI a été construit par un consortium dirigé par un chercheur de l'Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS, Orsay, France), Jean-Loup Puget.

Instrument LFI

L'instrument LFI (Low Frequency Instrument) était composé de quatre bandes de 56 récepteurs radio ajustables 27 - 77 GHz fonctionnant à une température de 20 K. Sa résolution angulaire était de 10' et sa sensibilité en température était de 12 µK environ à 100 GHz.

L'instrument LFI a été construit par un consortium dirigé par un chercheur de l’Istituto di Tecnologie e Studio delle Radiazioni Extraterrestri (Bologna, Italy).